高精度新型調(diào)制變送器設(shè)計與應用

李正兵，蔣興加，王小麗

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100；廣西機電職業(yè)技術(shù)學院，廣西南寧530007）

0 引言

傳感器就是將被測物理量按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。由于受傳感器結(jié)構(gòu)等因素的影響，其輸出信號一般需要經(jīng)過變換器處理。變送器是將非標準的傳感器輸出的信號調(diào)理成標準電壓或電流信號的電路單元，以方便數(shù)字儀表、PLC、計算機等測控系統(tǒng)使用。對于輸出為電阻RX、電感LX或電容CX等參數(shù)類型的傳感器，需要將可變參數(shù)RX，LX和CX變換成標準電流或電壓輸出，這種變送器稱為調(diào)制變送器。對于傳統(tǒng)電容或電感變送器，將傳感器輸出電容CX或電感LX作為振蕩電路的阻抗元件，通過測量阻抗引起振動頻率的變化，表征被測物理量，該類變送器通用性和線性較差，精度低，維護困難。本文針對連續(xù)式電容液面計設(shè)計的高精度新型調(diào)制變送器可以適用于電容、電阻及電感等參數(shù)的變換要求。

1 調(diào)制變送器設(shè)計原理

調(diào)制變送器需要把傳感器輸出的電信號變換為標準的電壓或電流，即把物理量引起的電阻、電感、電容變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后對電壓進行放大、濾波、調(diào)零等處理。調(diào)制變送器設(shè)計原理框圖如圖1所示。

變送器信號提取電路利用歐姆定律的原理，其電路如圖2所示。

在交流電源的作用下，把傳感器阻抗變換為電壓信號V˙X， ZX為傳感器輸出阻抗，ZS為變送器使用的標準阻抗，V˙為變送器施加標準激勵電壓。當阻抗ZX變化時，根據(jù)電路原理有：

當CS>>CX時，公式（4）變成

根據(jù)公式（5），當傳感器隨著被測物理量線性變化ΔX時，電壓V˙X也將線性改變。

傳感器輸出為電容或電感時，需要交流激勵源為信號提取電路提供標準電壓V˙。已知傳感器輸出阻抗ZX，所設(shè)計變送器的標準阻抗ZS一般為ZX的10倍以上，式（2）成立，變送器轉(zhuǎn)換信號的精度與線性方可滿足需要。

由于信號提取電路獲得的電壓值較小，并且為交流電壓，需利用高精度運算放大器組成絕對值電路、放大及濾波電路，對交流信號kΔX進行直流變換及線性放大、濾波處理。調(diào)零電路完成變送器輸出零位V0調(diào)整，信號輸出模塊實現(xiàn)直流信號到標準電流或電壓輸出變換。

另外，當傳感器輸出電壓與被測物理量不成線性變化時，可通過現(xiàn)場校驗的辦法對傳感器進行原位校驗，得到物理量與變送器輸出電壓的對應表。數(shù)據(jù)處理時，對采集到的電壓按照校驗結(jié)果進行插值或查表計算，得到其相應物理量。

2 調(diào)制變送器電路實現(xiàn)

2.1 精密交流電壓源設(shè)計

精密交流電壓源為變送器的關(guān)鍵電路模塊，其穩(wěn)定性直接關(guān)系到變送器與傳感器的測試精度。通過對T型、LC及RC等振蕩電路的分析、比較，選擇使用文氏振蕩阻容電橋與高精密穩(wěn)壓二極管結(jié)合技術(shù)，得到輸出頻率、幅值連續(xù)可調(diào)的高穩(wěn)定激勵交流電壓源，其組成原理如圖3所示。電路中的R31，W2，C5及C6為振蕩選頻網(wǎng)絡(luò)，與IC8A，W1及R30組成正弦信號發(fā)生器；W3對振蕩信號進行幅值調(diào)整；IC9與高精度穩(wěn)壓管對交流電源進行穩(wěn)壓與驅(qū)動。電路參數(shù)調(diào)整完畢后，為了確保電路的可靠性，應將電阻器W1，W2和W3替換成精密電阻，提高信號穩(wěn)定性。為了驗證所設(shè)計的精密交流激勵源輸出電壓的精度和穩(wěn)定性，每隔30 min對交流激勵電壓源進行了測試，測試結(jié)果如表1所示。測試結(jié)果表明，其賦值與頻率精度分別優(yōu)于0.1%和0.2%，完全能滿足變送器激勵電源的需要。

表1 交流激勵電壓源4 h穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)Tab.1 Data of 4 h stability testing of AC excitation source

2.2 精密絕對值與濾波電路設(shè)計

根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦栽?，對交流信號進行整流，精密絕對值與濾波電路設(shè)計如圖4所示。電路工作過程：交流負半周信號通過IC2A、整流二極管D1、D2、電阻R5及R7輸出；正半周信號通過IC2B通道輸出；集成運放器IC3和IC4與電阻、電解電容組成放大與濾波電路，對整流后的直流信號進行二次放大與濾波；電阻器Wman為變送器靈敏度調(diào)整電位器；經(jīng)過濾波的直流信號V0送到輸出電路。

2.3 調(diào)零電路設(shè)計

由于傳感器本身具有自身阻抗Z0，加上電路本身存在溫漂與零漂等因素，信號變換過程中需對此進行調(diào)零。其電路原理如圖5所示。調(diào)零電路的基準電壓要求非常準確，采用穩(wěn)定度優(yōu)于0.02%的基準電壓芯片5G1403。當輸入電源變化時，其輸出恒定為2.5 V。運放IC5A與調(diào)零電位器W0T組成幅值調(diào)整電路，輸出信號經(jīng)過IC5B緩沖器后送到IC3輸入負端，實現(xiàn)對變送器輸出信號的零位調(diào)整。

2.4 輸出電路設(shè)計

通過放大濾波后的信號，分別經(jīng)過兩個緩沖器，一路直接輸出0-10 V的電壓信號；另一路連接到電壓轉(zhuǎn)換電流芯片AD694信號輸入端。AD694芯片1、2腳短路，7、8腳短接，被設(shè)置成0-10 V變換成標準4-20 mA電流信號工作模式。其電路原理如圖6所示。用戶可根據(jù)實際需要選擇電流或電壓信號進行記錄。

3 新型調(diào)制變送器在試車臺液位遠傳系統(tǒng)中的應用

在試車臺30 m3煤油容器加注中，新設(shè)計的調(diào)制變送器安裝在容器附近接線箱中，通過低噪聲電纜連接連續(xù)式電容液面計，輸出電壓或電流接至二次儀表，進行了實驗測試及應用。系統(tǒng)上電后，先預熱30 min，然后調(diào)整調(diào)零電位器，使二次儀表顯示零。在容器加注過程中，分別記錄液面高度與儀表顯示數(shù)，記錄數(shù)據(jù)與計算結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)標準偏差優(yōu)于0.2%，精度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的變送器。按表中A、B值設(shè)置儀表參數(shù)，儀表可直接顯示容器液面高度或?qū)w積，多次試車標明，數(shù)據(jù)準確可靠。

表2 煤油加注過程中二次儀表測量變送器輸出值Tab.2 Transmitter output values measured by secondary meter during kerosene filling

4 結(jié)論

利用電阻定律與信號變換電路原理設(shè)計的調(diào)制變送器不僅具有信號變換精度高、性能穩(wěn)定、工作可靠等優(yōu)點，而且具有通用性強、接口簡單、安裝操作方便等特點，可應用于液位、位移及壓力參數(shù)測量領(lǐng)域。

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